淺析水墊塘消能措施

尹 楊 松

(大唐四川發(fā)電有限公司，四川 成都 610091)

淺析水墊塘消能措施

尹 楊 松

(大唐四川發(fā)電有限公司，四川 成都 610091)

泄水建筑物下泄水流的巨大動(dòng)能在水墊塘內(nèi)被消除，防止了下游河床發(fā)生嚴(yán)重的沖刷破壞，避免了惡劣的流態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水位平順銜接，保障了工程安全。對(duì)水墊塘內(nèi)的水流流態(tài)、擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了闡述，可為水墊塘的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

水墊塘；消能；水流流態(tài)； 擴(kuò)散規(guī)律

我國(guó)的高壩工程大多修建在西南高山峽谷地區(qū)，具有落差高、泄洪流量大、泄洪功率高和壩區(qū)河谷狹窄的特點(diǎn)。高壩下泄水流的巨大動(dòng)能在狹窄的河道內(nèi)易引起下游河床的嚴(yán)重沖刷破壞，進(jìn)而危及大壩安全。其常常在壩址下游以二道壩壅水形成水墊塘，承接壩身泄洪孔口跌落的水舌，在水墊塘中進(jìn)行消能，從而避免了惡劣流態(tài)，亦使下泄水流與下游平順銜接。由于水墊塘水體的緩沖作用，有效地減輕了底板的沖擊壓力，如二灘、錦屏一級(jí)水電站等工程均采用了水墊塘+二道壩的方式。根據(jù)水墊塘底板的剖面形狀，可將其分為兩類[1、2]：平底水墊塘和反拱水墊塘。平底水墊塘是最常規(guī)的消力池布置型式，具有體型簡(jiǎn)單，易于施工等優(yōu)點(diǎn)。反拱水墊塘利用反拱的作用抵抗底板上的動(dòng)水壓力和浮托力，依靠拱座的穩(wěn)定保持水墊塘底板的自身穩(wěn)定。

1 水墊塘內(nèi)的流態(tài)

水墊塘內(nèi)的流態(tài)特征與射流的入水初流速、入水角度、下游水墊塘的水深以及射流形狀等因素有關(guān)。在泄流條件不發(fā)生改變的情況下，不同的水墊深度或改變射流入水角度時(shí)，水墊塘內(nèi)的流態(tài)可以表現(xiàn)為：①自由沖擊射流；②淹沒(méi)沖擊射流；③面流[3]。

(1)自由沖擊射流。當(dāng)水墊塘內(nèi)的水墊深度較淺(或無(wú)水)時(shí)，下泄的高速射流水舌幾乎得不到淹沒(méi)緩沖而呈現(xiàn)出遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，如圖1(a)所示。該狀態(tài)時(shí)，高速射流水舌直沖水墊塘底板，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，導(dǎo)致底板承受很強(qiáng)的沖擊壓力。水墊塘底板在沖擊壓力的作用下容易造成失穩(wěn)或止水破壞，塘內(nèi)流態(tài)劇烈變化，對(duì)水墊塘的安全運(yùn)行產(chǎn)生了很大影響。因此，在水墊塘設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，必須保證足夠的水墊深度，以避免出現(xiàn)自由沖擊射流這種不良流態(tài)。

(a) 自由沖擊射流 (b) 淹沒(méi)沖擊射流 (c) 面流流態(tài)圖1 水墊塘內(nèi)的流態(tài)圖

(2)淹沒(méi)沖擊射流。當(dāng)下游水墊深度大于臨界水深時(shí)，射流水舌受到水墊的頂托作用，射流主體將被水墊塘內(nèi)的水體淹沒(méi)包圍，形成淹沒(méi)沖擊射流流態(tài)，如圖1(b)所示。這時(shí)，水墊塘內(nèi)為斜向淹沒(méi)沖擊射流與淹沒(méi)水躍(壁射流)的混合流態(tài)，射流水舌入水墊塘后，沿射流主體方向可以分為三個(gè)不同特點(diǎn)的子區(qū)域，即：淹沒(méi)射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁射流區(qū)。在淹沒(méi)射流區(qū)時(shí)，主流近似被認(rèn)為按照線性規(guī)律擴(kuò)散，其時(shí)均速度沿流程逐漸衰減；在沖擊區(qū)時(shí)，主流受到底板阻擋而發(fā)生轉(zhuǎn)向，流線急劇彎曲，速度出現(xiàn)一個(gè)駐點(diǎn)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，巨大的沖擊動(dòng)壓作用在水墊塘底板上，該區(qū)域具有沖擊射流的特征，底板失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在此處；在壁射流區(qū)時(shí)，主流轉(zhuǎn)向后貼著底板向前運(yùn)動(dòng)，受周圍水體擠壓剪切作用沿程發(fā)生擴(kuò)散并向上躍起，在水墊塘表層水體產(chǎn)生大尺度的翻滾和漩渦，類似于淹沒(méi)水躍。淹沒(méi)沖擊射流這種流態(tài)是水墊塘設(shè)計(jì)上需要的，因?yàn)槠涑浞掷昧怂畨|塘的水深，能有效減弱水舌沖擊動(dòng)壓，單位水體的消能效率高，下泄流量出二道壩后流態(tài)平穩(wěn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了上下游水流的平順銜接。

(3)面流。當(dāng)下游水深進(jìn)一步增加，或射流入水角度變得較小時(shí)，射流水舌將很少射入水墊塘內(nèi)部水體，而是直接沖擊表層水體，形成表面水躍，稱為面流流態(tài)，如圖1(c)所示。這種流態(tài)會(huì)在水墊塘內(nèi)形成巨大的涌浪，水面劇烈波動(dòng)，大部分能量均溢出二道壩，使水墊塘失去原有的消能作用，并且可能會(huì)造成兩岸邊坡的沖刷。因此，面流流態(tài)也是應(yīng)該避免出現(xiàn)的不良流態(tài)。

2 水墊塘內(nèi)的水流擴(kuò)散規(guī)律

高壩下泄水流進(jìn)入河道時(shí)主要表現(xiàn)為射流流態(tài)。Mason[4]等探討了射流入水厚度與水下擴(kuò)散距離對(duì)沖刷坑深度的影響；Francis[5]則利用河流動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)一步研究了壁面射流區(qū)的壓力和速度變化，以及對(duì)河床沖刷的影響；Becker[6]等從微觀角度測(cè)量了紊動(dòng)射流的特性，得出大部分物理量沿射流分布存在良好自模性的結(jié)論。在設(shè)置水墊塘后，塘內(nèi)的流態(tài)主要為淹沒(méi)沖擊射流，下泄水舌入水墊塘后，射流主體受周圍靜止水體包裹，兩者間存在一個(gè)速度突變的間斷面。在間斷面上，靜止水體與高速射流之間發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦、剪切，靜止水體將失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋卷吸周圍水體，射流的流量沿流程逐漸增大，流速不斷減小，但由于水墊深度有限，水墊塘底板仍會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊區(qū)。因此，射流在水墊塘內(nèi)的擴(kuò)散和衰減規(guī)律對(duì)指導(dǎo)水墊塘消能設(shè)計(jì)十分重要。

對(duì)于射流流速的擴(kuò)散規(guī)律，前蘇聯(lián)學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了射流在有限深度水墊塘內(nèi)的擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)射流沿程按照直線規(guī)律擴(kuò)散，并給出了射流沿寬度方向上的變化規(guī)律。在不受水墊塘深度因素制約下，射流入水速度u0和射流中心流速um間的比值u0/um與流程S保持著良好的線性關(guān)系。余常紹[7]通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了該線性關(guān)系(式1)，并給出了射流擴(kuò)散寬度計(jì)算式(式2～3)：

(1)

(2)

(3)

式中b0為射流初始寬度；b為射流沿程的全斷面寬度；α為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，α=0.067。

同時(shí)，日本學(xué)者安蕓周一將最大時(shí)均壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為最大流速，也認(rèn)為流速與流程間存在良好的線性關(guān)系， 流速沿流程按照式(4)的曲線規(guī)律衰減。

(4)

式中K為擴(kuò)散系數(shù)，安蕓周一建議取2.52。

以上均是由理論或試驗(yàn)得出的單股射流在水墊塘內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律。在實(shí)際工程中，特別是高拱壩工程采用壩身孔口分層多股出流，水墊塘內(nèi)呈現(xiàn)為復(fù)雜的多股三元淹沒(méi)射流流態(tài)，單股射流擴(kuò)散規(guī)律必然需要進(jìn)行一定的修正，劉沛清[8]通過(guò)整理、分析二灘和小灣等工程的相關(guān)資料，得出水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的計(jì)算公式：

(5)

式中 q為射流單寬流量；H為上下游水位差；H1為水墊塘內(nèi)的水墊深度；β為射流入水角度。

3 結(jié) 語(yǔ)

水墊塘內(nèi)存在自由沖擊射流、淹沒(méi)沖擊射流和面流等水流流態(tài)。自由沖擊射流易造成底板失穩(wěn)或止水破壞，塘內(nèi)流態(tài)變化劇烈，對(duì)水墊塘安全運(yùn)行產(chǎn)生很大影響；面流在水墊塘內(nèi)形成巨大的涌浪，水面波動(dòng)劇烈，大部分能量均溢出二道壩，使水墊塘失去了原有的消能作用，可能會(huì)造成兩岸邊坡的沖刷。因此，在水墊塘設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)避免出現(xiàn)這兩種流態(tài)。

單股沖擊水流在水墊塘內(nèi)流速與流程按照線性規(guī)律進(jìn)行擴(kuò)散，但是，這種規(guī)律僅是從理論或試驗(yàn)獲得，對(duì)于實(shí)際工程，應(yīng)修正單股射流的擴(kuò)散規(guī)律。

[1] 謝景惠. 高壩樞紐消能防沖方式選擇綜述. 泄水工程與高速水流論文集[M]. 成都: 成都科技大學(xué)出版社, 1994.

[2] 張麗花, 張志恒. 高拱壩下游水墊塘體形比選試驗(yàn)研究[J]. 西北水電,2010,34(3):34-37.

[3] 齊元田. 高拱壩的泄洪消能問(wèn)題研究[D].河海大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[4]Mason,P.J.andArumugan,K.Freejetscourbelowdamsandflipbuckets.J.Hyd.Engrg.ASCE. 111(2), 1985: 220-235

[5]Francis,J.P.D.andMcCreath,P.S.Bedloadtransportbysubmergedjets.Pore.Nat.AcademyofScience,76(9),1979: 4159-4161.

[6]Becker.H.A.,H.C.HottelandG.C.Williams,Thenozzle-fluidconcentrationfieldoftheroundturbulentfreejet,J.FluidMech.,1967,30: 285-303.

[7] 余常昭. 射流沖刷作用及分散攙氣影響的研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 1962,6(2):22-36.

[8] 劉沛清, 李福田. 高壩下游水墊塘內(nèi)典型流態(tài)演變問(wèn)題探討[J]. 水利學(xué)報(bào), 2001, 32(10)：38-43.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0098-02

尹楊松(1981-)，男，安徽當(dāng)涂人，工程師，碩士，從事水工水力學(xué)、水電規(guī)劃發(fā)展和市場(chǎng)營(yíng)銷工作.